通过控制钙和钾离子流抑制心脏中的螺旋波和时空混沌

采用LuoRudy91心脏模型研究螺旋波和时空混沌的控制,提出联合使用钙通道激动剂和钾通道阻滞剂的控制策略来增大钙离子电导率和减小钾离子电导率,达到消除心脏组织中的螺旋波和时空混沌的目的.数值模拟结果表明,该方法可以有效抑制螺旋波和时空混沌,即使介质存在无扩散功能的缺陷时该方法仍有效.对控制机制做简单探讨.     

心脏中的螺旋波和时空混沌的抑制研究

以Luo-Rudy相I心脏模型为基础,研究心脏中螺旋波和时空混沌的控制,提出了两种控制方法: (Ⅰ)通过交替改变细胞外钾离子浓度来产生平面波,再利用弱外电场辅助平面波抑制螺旋波和时空混沌; (Ⅱ)先提高细胞外钾离子浓度,然后利用外电场激发波的方式产生平面波,再用平面波去抑制螺旋波和时空混沌. 研究结果表明,只要适当选择控制参数,这两种方法都能够有效抑制螺旋波和时空混沌. 当心肌出现局部缺血时,在心肌缺血处就会出现高的细胞外钾离子浓度,在这种情况下, 可以采用电场发射波的方法来抑制心脏中的螺旋波和时空混沌.对这些控制方法的优点和控制机制做了解释.     

用运动控制器来终止心律失常

采用Luo-Rudy相Ⅰ心脏模型对通过局部电击使细胞复极化来消除心脏中的螺旋波和时空混沌进行数值模拟。提出利用控制器局部电击螺旋波波头周围的心肌细胞来抑制螺旋波的旋转,使螺旋波漂移出边界,进而控制螺旋波和时空混沌。数值模拟表明：适当选择控制的格点数和膜电位控制阈值,螺旋波和时空混沌都可以被抑制。最少的控制格点数为9个,最短的单螺旋波控制时间小于150 ms,最短的时空混沌控制时间小于500 ms。     

局域反馈抑制心脏中的螺旋波和时空混沌

采用LuoRud91模型研究了螺旋波和时空混沌的抑制,提出用局域反馈控制方法抑制螺旋波和时空混沌,采用静止和运动控制器两种控制策略.结果表明:适当选择控制参数,静止控制器的局域反馈方法能很好抑制螺旋波,但不能有效抑制时空混沌;采用运动控制器的局域反馈方法能有效抑制螺旋波和时空混沌,抑制速度与控制器移动的速度有关,在选择适当的控制参数下,螺旋波和时空混沌能在很短的时间内被抑制.     

用同步复极化终止心脏中的螺旋波和时空混沌

为了模拟电击除颤导致动作电位持续时间缩短, 在Luo-Rudy相I心脏模型中引入了同步复极化. 研究了同步复极化对螺旋波和时空混沌动力学的影响. 数值结果表明: 在控制周期比较小的情况下, 同步复极化可以有效消除螺旋波和时空混沌, 在有一些控制参数下, 同步复极化只能消除螺旋波, 或者只能消除时空混沌. 当螺旋波不被控制时, 观察到螺旋波转变为长周期和长波长的螺旋波或破碎成时空混沌的现象. 并对控制机制进行了分析. 关键词： 螺旋波 时空混沌 同步复极化 控制     

用低通滤波方法终止心脏组织中的螺旋波和时空混沌

通过让心肌细胞钠离子通道的触发门变量延迟打开, 使介质具有激发延迟能力, 介质延迟激发时间随控制电压和刺激频率增加而增加, 当控制电压超过一个阈值时, 延迟激发介质具有低通滤波作用:低频波可以连续通过, 而高频波不能连续通过. 本文用Luo-Rudy相I模型研究了介质延迟激发对螺旋波和时空混沌的影响, 数值模拟结果表明: 当控制电压超过阈值时, 介质的延迟激发可有效消除螺旋波和时空混沌; 从小逐渐增大控制电压, 在钙最大电导率较小情况下, 延迟激发会导致介质激发性降低, 使螺旋波漫游幅度增大, 直至传导障碍导致螺旋波消失; 当钙最大电导率较大时, 延迟激发会导致螺旋波失稳变弱, 这样当控制电压增加到一定值时, 时空混沌可以演化成漫游螺旋波, 当控制参数被适当选取时, 观察到漫游幅度大的螺旋波漫游出系统边界消失现象, 继续增大控制电压将导致时空混沌直接消失.     

用晚钠电流终止心脏中的螺旋波和时空混沌

采用人类心脏模型研究了用晚钠电流控制二维心脏组织中的螺旋波和时空混沌,我们提出这样的控制策略来产生晚钠电流:让慢失活门变量j始终等于0.7,同时实时调节钠电流的快失活门变量h的阈值电压V_I,即先让阈值电压V_I经过T_1时间从71.55 mV均匀减少到50.55 mV,然后经过T_2时间再从50.55 mV均匀增加到71.55 mV,当阈值电压V_I回到71.55 mV,钠电流的快、慢失活门变量恢复正常变化.数值模拟结果表明:只要适当选择控制时间,不论心肌细胞是否存在自发的晚钠电流,控制产生的晚钠电流都可以有效抑制螺旋波和时空混沌,而且需要的晚钠电流都很小,且控制时间都很短,因为螺旋波和时空混沌消失主要是通过传导障碍消失,少数情况下时空混沌是通过转变为靶波消失.我们希望这种控制方法能为室颤控制提供新的思路.     

通过放慢钠通道开闭控制心脏中的螺旋波和时空混沌

现代生物技术已经能够通过让钠离子通道的基因突变来改变其弛豫时间常数.本文采用Luo-Rudy相I模型研究了如何调控钠通道门的弛豫时间常数来控制心脏中的螺旋波和时空混沌.我们提出这样的控制策略:通过让钠电流触发门的弛豫时间常数增大ρ倍,同时让其快失活门始终不关闭,来降低钠电流激活和失活的速率.数值模拟结果表明:逐渐增加ρ将导致钠电流的触发门变量更慢,达到最大值,并且其振幅也逐渐减少,从而使心肌细胞动作电位的幅度和持续时间都逐渐减少.在ρ足够大的情况下,螺旋波和时空混沌不能在介质中传播,但是低频平面波可以在介质中传播,原因是介质激发性和波传播速度大幅度降低了.因此在适当选取控制时间和ρ足够大的情况下,可以有效消除心脏中的螺旋波和时空混沌.螺旋波和时空混沌主要通过传导障碍消失,也观察到螺旋波转变为靶波、螺旋波波头回缩、时空混沌转变为螺旋波消失的现象.当相关参数适当选择时,还观察到螺旋波转变为自维持靶波现象,相应的靶波源是旋转方向相反的螺旋波对.这些结果为心脏病的基因治疗提供了有用信息.     

利用短期心脏记忆消除螺旋波和时空混沌

在Luo-Rudy的心脏模型中引入了记忆效应, 该记忆效应表现为膜间电压的延迟耦合. 研究了记忆效应对螺旋波的影响, 数值模拟结果表明:心脏记忆可导致螺旋波无规则漫游;当延迟时间适当选取时, 增加记忆强度会导致螺旋波的频率减小, 如果记忆强度超过临界值, 心脏记忆效应还可以使螺旋波和时空混沌消失, 因为含时外行钾离子电流被心脏记忆过度抑制.     

局部相空间压缩实现对时空混沌和螺旋波的控制

采用相空间压缩方法研究时空混沌和螺旋波系统的抑制问题.以局部控制方式将系统变量的幅值限制在一定范围内,对CO在Pt(110)表面氧化模型(Fitzhugh-Nagumo方程)与心肌组织模型(Panfilov方程)的数值研究表明:无论是否存在外界噪声,该方案都可以消除螺旋波和时空混沌;尤其是存在噪声时,相空间压缩控制暂态过程会更短,系统很快达到稳定均匀态(从几个到几十个时间单位).     

Suppressing arrhythmias in cardiac models using overdrive pacing and calcium channel blockers

Recent findings indicate that ventricular fibrillation might arise from spiral wave chaos. Our objective in this computational study was to investigate wave interactions in excitable media and to explore the feasibility of using overdrive pacing to suppress spiral wave chaos. This work is based on the finding that in excitable media, propagating waves with the highest excitation frequency eventually overtake all other waves. We analyzed the effects of low-amplitude, high-frequency pacing in one-dimensional and two-dimensional networks of coupled, excitable cells governed by the Luo-Rudy model. In the one-dimensional cardiac model, we found narrow high-frequency regions of 1:1 synchronization between the input stimulus and the system's response. The frequencies in this region were higher than the intrinsic spiral wave frequency of cardiac tissue. When we paced the two-dimensional cardiac model with frequencies from this region, we found that spiral wave chaos could, in some cases, be suppressed. When we coupled the overdrive pacing with calcium channel blockers, we found that spiral wave chaos could be suppressed in all cases. These findings suggest that low-amplitude, high-frequency overdrive pacing, in combination with calcium channel inhibitors (e.g., class II or class IV antiarrhythmic drugs), may be useful for eliminating fibrillation. (c) 2002 American Institute of Physics.     

Suppression of Spiral Waves and Spatiotemporal Chaos Under Local Self-adaptive Coupling Interactions

In this paper, a close-loop feedback control is imposed locally on the Fitzhugh-Nagumo (FHN) system to suppress the stable spirals and spatiotemporal chaos according to the principle of self-adaptive coupling interaction. The simulation results show that an expanding target wave is stimulated by the spiral waves under dynamic control period when a local area of 5×5 grids is controlled, or the spiral tip is driven to the board of the system. It is also found that the spatiotemporal chaos can be suppressed to get a stable homogeneous state within 50 time units as two local grids are controlled mutually. The mechanism of the scheme is briefly discussed.     

通过抑制波头旋转消除心脏中的螺旋波和时空混沌

本文采用Luo-Rudy相I模型研究如何通过调控心肌细胞钠电流变化来控制心脏中的螺旋波和时空混沌,提出了这样的钠电流调控方案:当细胞将被激发时启动钠电流调节,若由模型方程得到的钠电流的绝对值小于钠电流控制阈值的绝对值,就让钠电流等于钠电流控制阈值,其他情况下则限制钠电流的绝对值不能高于一个给定的最大值;当膜电位上升超过-5 mV时,让钠电流自然演化.这种调节钠电流的方式保证了所有细胞几乎具有相同的钠电流幅值,从而使所有细胞具有相同的激发性,数值模拟结果表明,只要钠电流控制阈值达到一定临界值,就可以有效抑制螺旋波波头的旋转,导致螺旋波运动出系统边界而消失,以及时空混沌演化为螺旋波后消失,如果钠电流控制阈值足够大,螺旋波和时空混沌还可通过传导障碍而消失.这些结果能够为抗心律失常治疗提供新的思路.